一、 簡介
電子束加工技術原理[1]：電子束加工利用電子束的熱效應可以對材料進行表面熱處理、焊接、刻蝕、鑽孔、熔煉，或直接使材料昇華，是一種完全不同於傳統機械加工的新工藝。電子束**則是一種利用電子束輻射效應的加工方法。
作為加熱工具，電子束的特點是功率高和功率密度大，能在瞬間把能量傳給工件，電子束的引數和位置可以精確和迅速地調節，能用計算機控制並在無汙染的真空中進行加工。根據電子束功率密度和電子束與材料作用時間的不同，可以完成各種不同的加工。
電子束加工包括焊接、打孔、熱處理、表面加工、熔煉、鍍膜、物理氣相沉積、雕刻以及電子束**等，其中電子束焊接是發展最快、應用最廣泛的一種電子束加工技術。電子束加工的特點是功率密度大，能在瞬間將能量傳給工件，而且電子束的能量和位置可以用電磁場精確和迅速地調節，實現計算機控制。因此，電子束加工技術廣泛應用於製造加工的許多領域，如航空、航天、電子、汽車、核工業等，是一種重要的加工方法。
近年來，隨著電磁場控制技術的發展，並結合電子束在磁場中易控的特點，開發了一種新型的電子束加工方法——快速掃瞄電子束加工技術。這種通過電磁場的控制實現電子束的快速偏轉掃瞄的方法越來越顯出其技術的優勢，在航空航天製造領域中獲得了廣泛的應用。
二、 電子束加工技術的原理
電子束加工的基本原理是：在真空中從灼熱的燈絲陰極發射出的電子，在高電壓(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通過電磁透鏡會聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的電子束。當衝擊到工件時，電子束的動能立即轉變成為熱能，產生出極高的溫度，足以使任何材料瞬時熔化、氣化，從而可進行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。
由於電子束和氣體分子碰撞時會產生能量損失和散射，因此，加工一般在真空中進行。
電子束加工機由產生電子束的電子槍、控制電子束的聚束線圈、使電子束掃瞄的偏轉線圈、電源系統和放置工件的真空室，以及觀察裝置等部分組成。先進的電子束加工機採用計算機數控裝置，對加工條件和加工操作進行控制，以實現高精度的自動化加工。電子束加工機的功率根據用途不同而有所不同，一般為幾千瓦至幾十千瓦。
按照電子束加工所產生的效應，可以將其分為兩大類：電子束熱效應和電子束化學效應[2]。電子束熱效應是將電子束的動能在材料表面轉化成熱能，以實現對材料的加工。
電子由電子槍的陰極發出，通過聚束極匯聚成電子束，在電子槍的加速電場作用下，電子的速度被提高到接近或達到光速的一半，具有很高的動能。電子束再經過聚焦線圈和偏轉線圈的作用，匯聚成更細的束流。束斑的直徑為數微公尺至1mm，在特定應用環境，束斑的直徑甚至可以小到幾十奈米，其能量非常集中。
電子束的功率密度可高達109w/mm2[3]。當電子束轟擊材料時，電子與金屬碰撞失去動能，大部分能量轉化成熱能，使材料區域性區域溫度急劇上公升並且熔化,甚至氣化而被去除，從而實現對材料的加工。電子束化學效應是利用電子束代替常規的紫外線照射抗蝕劑以實現**，其中包括 1）掃瞄電子束**，用電子束按所需的圖形，以微機控制進行掃瞄**，其特點是圖形變換的靈活性好，解析度高；2）投影電子束**，這是一種大面積**法，由光電陰極產生大面積平行束進行**，其特點是效率高，但解析度較差；3）軟 x 射線**，軟 x 射線由電子束產生，是一種間接利用電子束的投影**法。
三、 電子束加工技術的特點
電子束加工的主要優點有：
1. 電子束能聚焦成很小的斑點(直徑一般為0.01～0.05公釐)，且可控 ,可以用於精密加工適合於加工微小的圓孔、異形孔或槽；
2. 功率密度高，能加工高熔點和難加工材料如鎢、鉬、不鏽鋼、金剛石、藍寶石、水晶、玻璃、陶瓷和半導體材料等；
3. 無機械接觸作用，無工具損耗問題；
4. 加工速度快，如在0.1公釐厚的不鏽鋼板上穿微小孔每秒可達3000個，切割1公釐厚的鋼板速度可達240公釐／分。
5. 裝置的使用具有高度靈活性 ,並可使用同一臺裝置進行電子束焊接、 表面改善處理和其他電子束加工;
6. 電子束加工是在真空狀態下進行 ,對環境幾乎沒有汙染;
7. 對於各種不同的被處理材料 ,其效率可高達 75%～98% ,而所需的功率則較低;
8. 能量的發生和**源可精確地靈活移動 ,並具有高的加工生產率;
9. 可方便地控制能量束 ,實現加工自動化;
其主要缺點有:
1. 由於使用高電壓，會產生較強 x射線，必須採取相應的安全措施；
2. 需要在真空裝置中進行加工；
3. 裝置造價高等。電子束加工對裝置和系統的真空度要求較高 ,使得電子束加工**昂貴 ,一定程度上限制了其在生產中的應用.。
由於電子束流具有以上特點 ,目前已被廣泛地應用於高硬度、易氧化或韌性材料的微細小孔的打孔,複雜形狀的銑切,金屬材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和拋光 ,以及電子行業中的微型積體電路和超大規模積體電路等的精密微細加工中。隨著研究的不斷深入 ,電子束加工已成為高科技發展不可缺少的特種加工手段之一。
四、 電子束加工技術的應用
電子束加工主要用在以下幾個方面上：1、電子束表面改性，電子束表面改性是利用電子束的加熱和熔化技術對材料進行表面改性。例如電子束表面淬火，電子束表面熔凝，電子束表面合金化，電子束表面熔覆和製造表面非晶態層。
過改性後的材料表面組織結構得到改善，強度和硬度得到大幅提高，耐腐蝕性和防水性也相應地得到增強[4]。2、電子束物理氣相沉積，電子束物理氣相沉積(eb—pvd)是電子束技術與物理氣相沉積技術的有機結合，是利用高能電子轟擊沉積材料，使其迅速公升溫氣化而凝聚在基體材料表面的一種表面加工工藝。根據沉積材料的性質，可以使塗層具有優良的隔熱、耐磨、耐腐蝕和耐沖刷效能，對基體材料產生一定的保護作用[5]。
3、電子束打孔，電子束打孔用電子束對材料進行打孔加工時，要求電子束的能量密度需大於108w／cm2，每個電子束脈衝打乙個孔，脈衝寬度一般只有幾毫秒，脈衝的速率快，打孔的速度可以達到每秒幾個到3000個孔。電子束脈衝的能量高，不受材料硬度的限制，沒有磨損，可以對難熔、高強度和非導電材料進行打孔加工[6]。並且電子束的束斑形狀可控，能加工各種孔，加工效率高，加工材料的適應範圍廣，加工精度高、***，無缺陷，一般不需要二次加工。
4、電子束焊接，電子束焊接具有焊縫深寬比大，焊接速度快，工件熱變形小，焊縫物理效能好，工藝適應性強等優點，並且能改善接頭機械效能減少缺陷，保證焊接穩定性和重複性,因而具有極為廣闊的應用前景[7]。
五、 電子束加工技術在國內外的應用
基於電子束加工的這種原理，它在加工中得到了廣泛應用。這裡我將重點談談它在焊接方面的技術應用。電子束加工是利用電能轉化為熱能，通過熱能使經書區域性熔化。
，增強了電流，利用電能產生的巨大熱量融化鋼鐵。這種極度相似的原理是電子束焊接成為了現實，而且他的焊接精度極高，速度極快。當高能量密度的電子束轟擊焊件表面時，使焊件接頭處的金屬熔融，形成焊件表面熔池。
如果焊件按一定速度沿著罕見接縫與電子束做相對移動，則接縫上的熔池由於電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個接縫形成乙個接縫。
電子束的焊接過程是首先把電子槍和室內的空氣抽出來，使之成為為真空。燈絲通電，加熱陰極，陰極受熱後向外發射電子，陰極發射出來的電子流在陰極與陽極間，在高壓電場中加速，以每秒大於16萬公里的速度射向焊件，電子的動能裝化為熱能，使焊件迅速熔化，為了使電子束能量高度集中，電子束要經過聚焦系統聚焦成一點，偏轉線圈使電子束對準焊縫，工作台經傳動系統，使焊件移動成焊件過程。
在焊接過程中，如果電子束的移動速度與焊件的移動速度達不到動態平衡，那麼焊件接縫口出的焊縫就會凸凹不平，精度的不到保證。
不經如此，由於電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，熱影響區小，變形小。電子束焊接一般不用焊條（這不同於傳統焊接），焊接過程在真空中進行，因此焊接化學成份純淨，焊接接頭處的強度往往高於母材。
電子束焊接還能完成一般焊接方法難以難以實現的異種金屬焊接。如鉻青銅與雙相不鏽鋼異種材料電子束熔釺焊，銅和不鏽幹的焊接。由於兩種材料的熔點、熱導率等熱物理效能存在顯著差異。
在電子束焊接過程中接頭母材兩側熱量的分布極不均勻，這種相對於對接接頭中線非對稱溫度場的形成將導致兩側母材熔化不均，在電子束對中焊接頭中線兩側形成了非對稱分布的溫度場，從而導致兩側母材熔化不均。在對中焊時，兩側母材雖都有熔化參與熔池形成，但由於二者熔點、密度、原子活性及高溫流動性的差異，在快速移動電子束深穿作用下兩側熔化母材金屬尚未在液態無限互溶即開始結晶凝固，從而形成焊縫巨集觀組織的不均勻。而解決這種問題的途徑就是增加電子束距對接中線弱側偏移值，使之受熱達到均勻化。
電子束焊接技術是將高能電子束作為加工熱源,用高能量密度的電子束轟擊焊件接頭處的金屬 ,使其快速熔融 ,然後迅速冷卻來達到焊接的目的。其的特點如下：
1. 電子束焊接的能量密度高 ,可焊接一般電弧焊難以實現的焊縫；
2. 電子束焊接是在真空中進行 ,焊縫的化學成分穩定且純淨 ,接頭強度高 ,焊縫質量高；
3． 電子束焊接速度快 ,熱影響區小 ,焊接熱變形小；
4． 電子束焊接適用於焊接幾乎所有的金屬材料；
5． 電子束焊接可獲得深寬比大的焊縫 (20∶ 1～50∶ 1) ,焊接厚件時可以不開坡口一次成形；
6． 電子束焊接結合計算機技術 ,實現了工藝引數的精確控制 ,使焊接過程完全自動化。
在加工精度方面，電子束焊接遠遠超過傳統焊接技術。主要原因是：
1. 電子束是在真空中加工，保護作用好，而傳統焊接是在空氣中操作，純度得不到保證。
2. 電子束焊接接頭不開波口，裝配不留間隙，焊接時不加填料金屬，街頭光滑整潔。
3. 熱源能量密度大，焊接速度快，變行小，焊縫深而窄。
4. 可進行穿入式的成型焊接，這是傳統焊接所不能做到的。
5. 電子束可以精確的確定焊縫的位置,精度和重複性誤差為 0%。
6. 最大的穿透深度,可達15mm、最高的深寬比大於10:1焊接直徑可達400mm
電子束焊接所需線能量小，而焊接速度高，因此焊件的熱影響區小、焊件變形小，除一般焊接外，還可以對精加工後的零部件進行焊接。
應用領域裡，電子束焊接主要應用於：
1. 航空與航天領域:飛行器構件、噴氣式發動機部件、起落架。
2. ****領域：高速齒輪、液力變矩器渦輪元件、駕駛艙模組橫樑、保護氣囊、后橋等。
3. 動力與原子能：壓力容器、核反應堆燃料棒、汽輪機噴管隔板等。
4. 電子與醫療：繼電器殼體、壓力感測器、心臟起搏器殼體等。
5. 電機與儀表：電機的定子轉子疊片與整流子、膜合。
其他：雙金屬（鋸條、熱敏元件、冷卻器）、金剛石鑽頭等。
快速掃瞄電子束加工技術
摘要 先進製造技術已在我國得到了廣泛的使用，隨著製造工業的進步，數控加工已逐步主導了傳統的機械加工，員工對特種加工的認識與了解需求也越來越大，對於數控技術大家都可以較為容易理解為計算機控制原理，但對於電加工技術的認識就比較少了，因此我認為有必要與大家共同 數控電加工裝置，了解一下未來工業成就的支柱。...
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